数控机床的发展现状及趋势

数控机床的发展现状及趋势摘要：本文主要介绍了数控机床在国内外的发展现状，阐明了我国与世界发达国家间的差距，并详细阐述了数控机床的发展趋势，指明了我国机床行业发展的努力方向。关键字:数控机床；现状；趋势一、数控机床简介现代机械制造中，精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，一般都需在机床上用切削的方法进行最终加工，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。数制机床(Computernumericalcontrolmachinetools)是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而驱使机床动作加工零件。与普通机床相比，数控机床加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高，一般为普通机床的3～5倍；机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件，结构较复杂、精度要求较高的零件，需要频繁改型的零件，价格昂贵不允许报废的关键零件，要求精密复制的零件，需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。二、数控机床的发展现状（一）国外数控机床的发展现状数控机床最早由美国制造出来。从1960年开始，一些工业国家，如德国、日本都陆续开发、生产及使用了数控机床。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程。1、美国的数控机床发展美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，网罗世界级人才，特别讲究“效率”与“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80年代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向数控机床技术转向实用，产量又逐渐上升。2、德国的数控机床发展德国一直将机床工业放在重要的战略地位，在多方面给予大力扶植，于1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列，如西门子公司的数控系统。3、日本的数控机床发展日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7，342台)超过美国(5，688台)，至今其产量、出口量一直居世界首位。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占领世界广大市场。在上世纪80年开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。（二）我国数控机床的发展现状我国数控机床的研究开始于20世纪50年代，直到1980年以前研究水平均较落后。起步晚、水平低，当时部分高等院校和科研单位从电子管起步研制出了实验性样机。这一阶段处于研制开发时期。1990年往后，随着国家经济的发展，产业结构的调整，数控机床生产企业得到转机，有了新的发展。在这20多年的时间里，从事数控机床研究的技术力量得到了加强，培养了一批数控设计、制造、使用和维护的专业人才。同时加强与国外先进生产企业的合作，吸收国外先进的技术，在一定程度上缩短了与世界先进技术的差距。此外，还大胆从国外引进先进的元部件、数控系统，用于自行设计的数控机床，提升整机技术含量。根据中国机床工业协会所提供的数据显示，我国的数控机床行业已经建立起国家超精密机床工程技术研究中心、国家精密工具工程技术研究中心、国家高效磨削工程技术研究中心、国家数控系统工程技术研究中心和国家高档数控工程研究中心等。我国数控机床产业在经历了几十年的发展后，在很多方面都取得了令人瞩目的成就，由最初的一穷二白已经发展到在立足自主创新的同时积极消化吸收国际资源，提高国产品牌的国际竞争力。首先，高中档数控机床的设计研发取得了较大的进展，在五轴联动、高速加工、超精加工、复合加工、数字化设计等关键技术上也取得了重大突破，形成了一批中档数控机床产业化基地。其次，在高性能数控机床技术创新方面也取得了重大突破。如，济南二机床集团自行研制了高速五轴数控龙门铣床，沈阳机床集团开发出五轴车铣复合加工中心，北京机电研究院高技术股份有限公司成功研制出我国第一台直线电机驱动的高速加工中心，杭州机床集团自主研发了七轴五联动数控成形磨床等等。我国数控机床产业存在的问题与不足。关键功能元部件还主要依赖进口，技术创新和成果转化与市场需求脱节，缺乏先进的管理机制，在产品的可操作性、外观、内在质量及品牌知名度等方面与发达工业国家相比仍存在很大差距。三、数控机床的发展趋势当今世界主要工业发达国家和地区的数控机床的发展趋势主要表现为“四高”和“四化”，即高精度、高速度、高柔性、高可靠性和智能化、网络化、复合化、绿色化。（一）高精度数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。1、提高CNC系统控制精度：采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度，位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法。2、采用误差补偿技术：采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%~80%。3、采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。（二）高速度随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用,对数控机床加工的高速化要求越来越高。1、主轴转速：机床采用电主轴，主轴最高转速达200000r/min.2、进给率：在分辨率为0.01μm时,最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工。3、运算速度：CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24~240m/min的进给速度。4、换刀速度：目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。德国Ch-iron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。（三）高柔性随着对产品多样化和个性化需求的体现，无形中提高了机床的柔性加工要求。例如，将各种加工功能集成在同一台机床上，这样就实现了在一台机床上只需一次装夹就能完成对零件的不同加工，不但有利于提高加工精度，而且提高了加工效率，充分展示了机床加工的柔性化发展趋势。（四）高可靠性数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。国外数控系统平均无故障时间在7~10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。在这方面我们还需要继续努力。（五）智能化随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。具体体现在以下几个方面：1、加工过程自适应控制技术。通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性。2、加工参数的智能优化与选择。将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的。3、智能故障自诊断与自修复技术。根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位。4、智能故障回放和故障仿真技术。能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验。5、智能化交流伺服驱动装置。能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。6、智能4M数控系统：在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量、建模、加工、机器操作四者融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。（六）网络化对于面临激烈竞争的企业来说，使数控机床具有双向、高速的联网通讯功能，以保证信息流在车间各个部门间畅通无阻是非常重要的。既可以实现网络资源共享，又能实现数控机床的远程监视、控制、培训、教学、管理，还可实现数控装备的数字化服务(数控机床故障的远程诊断、维护等)。例如，日本Mazak公司推出新一代的加工中心配备了一个称为信息塔的外部设备，包括计算机、手机、机外和机内摄像头等,能够实现语音、图形、视像和文本的通信故障报警显示、在线帮助排除故障等功能，是独立的、自主管理的制造单元。（七）复合化复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。工艺复合型机床如镗铣钻复合，加工中心、车铣复合，车削中心、铣镗钻车复合，复合加工中心等。工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。（八）绿色化随着日趋严格的环境与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。因此，近年来不用或少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。在21世纪，绿色制造的大趋势将使各种节能环保机床加